KONSEP ANALISA SEDERHANA LISTRIK STATIS

Pada kesempatan kali ini kita akan membahas Listrik Statis dari kajian berfikir analitik. Dimulai dari pembahasan contoh soal tentang analisa besaran gaya Listrik Statis (F), Medan Listrik (E), Potensial listrik (V), dan Energi Potensial  (W). 

Dalam penyajian kali ini, konsep analisanya mengutamakan perhitungan dasar sesuai bentuk umum rumus yang ada. Belum termasuk konsep analisa soal menggunakan penyelesaian dalam bentuk vektor. Sebab materi analisanya disesuaikan dengan tingkatan sekolah menengah pertama (SMP). Mari kita bahas besaran listrik statis yang sudah disebutkan di atas. 

GAYA COULOMB ( Fc ) : 

 “Besar gaya tarik – menarik atau tolak – menolak antara dua muatan listrik sebanding dengan muatan – muatannya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatannya”.

Gambar : 

Contoh 01 : (menghitung gaya interaksi antara dua benda bermuatan listrik statis) 

Dua buah benda masing – masing bermuatan +20µC dan - 24µC. Jika kedua

bermuatan terpisah 12 cm. Maka besar gaya interaksi antara kedua benda bermuatan

listrik statis adalah … 

1. 100 N 

2. 200 N 

3. 300 N 

4. 400 N 

Penyelesaian : 

Contoh 02 : (Perbandingan gaya Coulomb) 

Dua muatan listrik pada jarak r menghasilkan gaya Coulomb sebesar F.

Berapakah besar gaya Coulomb yang terjadi jika jarak kedua muatan diubah menjadi 2r ?

Penyelesaian : 

Perhatikan muatan tidak disinggung, maka rumus singkatnya menjadi : 

Medan Listrik (E) : 

Gaya Coulomb per satuan muatan : 

Contoh 03 : (Menentukan Medan listrik statis)

Dua bola kecil yang masing – masing bermuatan listrik +5µC dan - 10µC

terpisah sejauh 2 meter. Tentukan gaya Coulomb dan kuat medan listrik

pada muatan +5µC. 

Penyelesaian : 

Sementara Medan Listrik E : 

Energi Potensial ( W ) : 

Energi yang dibutuhkan untuk memindahkan muatan listrik dari satu

titik ke titik lainnya. 

Dimana : 

V=beda potensial (Volt)
W=Energi potensial (J)
Q=muatan listrik yang dipindahkan (C)

Contoh 04 : ( Menentukan beda potensial)

Untuk memindahkan 5C muatan dari A ke B diperlukan energi sebesar 42 J.

Maka beda potensial dari kedua titik A dan B. 

Penyelesaian : 

Quiz  : 

1. Sebuah benda dikatakan bermuatan listrik apabila benda tersebut … 

1. Menerima atau melepaskan elektron 

2. Menerima atau melepaskan proton 

3. Menerima elektron atau proton 

4. Melepaskan elektron dan proton 

2. Misalkan ada empat muatan listrik A, B, C, dan D. Jika muatan A dan B didekatkan saling menarik. B dan C didekatkan akan tarik – menarik, B  dan D didekatkan akan tolak – menolak. Jika A bermuatan positif maka muatan B, C, dan D adalah … 

1. B = positif, C = negatif, D = positif 

2. B = negatif, C = negatif, D = poisitip 

3. B = negatif, C = positif, D = negatif 

4. B = positif, C = positif, D = negatif 

3. Dua buah muatan listrik masing – masing Q1 dan Q2 berada pada jarak R memiliki gaya tolak – menolak sebesar 100 N. Jika jarak antara kedua muatan diperkecil menjadi 13 R maka gaya tolak – menolak muatan listrik adalah … 

1. 33,33 N 

2. 100 N 

3. 300 N 

4. 900 N

4. Dua cara pemberian muatan listrik pada suatu benda adalah … 

1. Gosokkan dan elektromagnetisasi

2. Induksi dan elektromagnetisasi 

3. Gosokan dan Induksi 

4. Induksi dan Magnetisasi 

MELEBUR DAN MEMBEKU

 Melebur dan Membeku 

Banyak kalor (Q) yang diperlukan untuk melebur / membeku

pada keadaan suhu tidak berubah / tetap ( naik atau turun ). 

Dimana, 

Q = banyak kalor (J)
m = massa benda (kg)
L = kalor lebur (J/kg)

Kalor lebur (L) = banyak kalor yang diperlukan dalam

satuan joule (J) untuk melebur/membeku tiap 1 kg. 

Tabel 1. Nilai kalor lebur berbagai zat

Zat	Titik lebur ℃	Kalor lebur (J/kg)
Air	0	336 000
Alkohol	-97	69 000
Raksa	-39	120 000
Aluminium	660	403 000
Tembaga	1 083	206 000
Platina	1 769	113 000
Timbal	327	25 000

CONTOH SOAL DAN PEMBAHASAN

Nomor 1 

Sebanyak 25 gram zat padat dipanaskan.

Grafik suhu terhadap kalor zat padat tersebut ditunjukkan

pada gambar di bawah ini. 

1. Titik lebur 

2. Kalor lebur zat padat tersebut 

Pembahasan : 

Nomor 2

Hitung banyaknya kalor yang diperlukan untuk melebur

500 gram es pada suhu -4℃. Dan kalor jenis es = 2 100 Jkg℃,

kalor lebur es = 340 000 J/kg.

Pembahasan : 

Pengaruh Tekanan terhadap titik lebur 

Jika tekanan di atas zat padat dinaikan,

titik lebur akan turun.

Titik lebur normal es adalah 0℃.

Jika tekanan di atas es dinaikan,

titik leburnya berada di bawah 0℃. 

Pengaruh ketidakmurnian zat terhadap titik lebur 

Kita dapat menurunkan titik lebur es di bawah 0℃

dengan cara menambahkan garam pada campuran es

dan air. Tatkala garam kita campurkan ke dalam es

dan air, dapat menurunkan titik lebur es sampai - 20℃.

Fenomena ini digunakan dalam pembuatan es krim, pemberian

garam ini menurunkan titik lebur es sehingga suhunya di

bawah 0℃ dapat melebur. Untuk melebur diperlukan kalor.

Karena kalor tidak disuplai dari luar (lingkungan), maka kalor

diambil dari dalam es itu sendiri. Sebagai akibatnya,

suhu es akan turun lebih jauh sekalipun es dalam

keadaan cair (es krim). 

Penyulingan air 

Memanfaatkan peristiwa penguapan zat cair pada titik didihnya

untuk memurnikan air. Jika air tak murni dipanasi sampai titik

didihnya, hanya uap murni yang akan menguap.

Proses fisika ini serupa dengan proses penguapan air laut dan

air sungai secara alami akan membentuk awan.

Ide ini dimanfaatkan pada alat penyulingan air.

Jika uap air ini didinginkan secara terpisah dari larutan asalnya

( air tak murni ) dan hasilnya Cuma mengandung air murni. 

Azas Black 

Merupakan hukum kekekalan energi pada pertukaran kalor,

”Kalor yang dilepaskan oleh zat yang suhunya lebih tinggi

sama dengan kalor yang diterima zat yang suhunya

lebih rendah”. 

Contoh : 

Sepotong aluminium yang massanya 200 gram dipanaskan

sampai suhunya 80℃, kemudian segera dijatuhkan ke

dalam suatu bejana yang berisi 100 gram air pada suhu

20℃. Abaikan pertukaran kalor terhadap wadah dan

lingkungan sekitarnya. Hitung suhu akhir campuran

ketika keseimbangan termal dicapai.

Kalor jenis aluminium 900 J/kg℃ dan air 4200 J/kg℃.

Pembahasan 

Langkah pertama : gambarkan diagramnya  

Langkah kedua : 

Zat yang suhunya lebih tinggi akan melepaskan kalor

(tanda panahnya turun) dan Zat yang suhunya lebih

rendah akan menyerap kalor (tanda panahnya ke atas). 

HUBUNGAN DAYA DENGAN KALOR

Dalam kehidupan sehari – hari kita selalu berhubungan dengan energi listrik, dengan menggunakan peralatan listrik rumah tangga. Setiap peralatan listrik rumah tangga, selalu tertera daya listrik dalam satuan watt. 

Daya listrik, P : 

Dimana, 

        P = daya listrik (watt = J/s)
        W = energi listrik (J)
        t = waktu (s)

Kalor, Q : 

Dimana, 

        Q = jumlah kalor (J)
        m = massa zat (kg)
        c = kalor jenis (J/kg℃)
    ∆T = perubahan suhu (℃)

Contoh 01 

Pada sebuah ketel listrik tercatat 220V/350W, lalu ketel listrik ini dihubungkan ke suplai PLN 220 volt. Dan digunakan untuk memanaskan 1,0 liter air sehingga suhunya naik dari 200C menjadi 1000C. Berapa lama waktu yang diperlukan untuk mendidih. 

Pembahasan : 

Diketahui, 

Daya ketel listrik, P = 350 W

Massa air, m = 1 L = 1 kg 

Perubahan suhu, ∆T=100-20=80℃

Mendidih sama artinya dengan kenaikan suhu hingga 1000C

Ditanya : waktu, t = … ? 

Penyelesaian : 

daya listrik, W=Px t

banyak kalor, Q=mc∆T

Ingat hukum kekekalan energi, “energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan”. 

W=Q

Px t= mc∆T

350 x t= 1 x 4200 x 100-20

t=16 menit

Latihan Mandiri :

Nomor 1 : 

Niko biasa mandi di dalam sebuah bak yang berisi 60 kg air ( = 60 Liter). Berapa lama Niko harus menjalankan sakelar pemanas air 2,1 kW, agar suhu air dingin mengalami kenaikan suhu 300C. 

Nomor 2

Sebuah bejana aluminium yang berisi 4,0 kg air dipanaskan dengan sebuah pembakar bunsen selama 1 menit, sehingga suhu air naik 100C. Tentukan daya listrik pembakar bunsen (abaikan kalor yang dibutuhkan untuk pemanasan bejana).